二战期间，日本也曾研发原子弹

仁科芳雄1937年在日本建造的回旋加速器。图源：参考文献5

导读：

人类首次使用原子弹，是在日本的广岛和长崎。一方面，这促使日本的无条件投降，另一方面，也让许多科学家反思科学家的使命与责任。鲜为人知的是，日本作为轴心国的一方，也曾试图研制原子弹，但受困于国力有限，资源短缺，又缺乏总体规划等原因，进展十分缓慢，最终只能无奈面对美国的原子弹蘑菇云。

李研 ｜ 撰文

SAIXIANSHENG

来自军方的铀弹研发计划

众所周知，美国“曼哈顿计划”始于多位世界顶尖科学家的联名呼吁，而日本原子弹研究计划的发起人却是一位在科学史上无名的军职人员。

安田武雄，1889年出生于日本本州岛西南的冈山县。他早年作为日本陆军派遣生在东京帝国大学学习，专修电气工程。毕业后，他曾加入日本在中国的驻军，后又被派往德国学习了三年军事技术，回国后担任日本航空技术研究所的所长，军衔为陆军中将。

安田武雄（1889-1964）。图源：https://www.armedconflicts.com/

从他的前期履历来看，安田武雄顶多算是军队中的高级技术人员，称不上科学家，但因为早年接受过良好教育，他对前沿科技在军事中的应用有着浓厚的兴趣。在20世纪30年代末，他从美国和德国的科学文献中了解到原子能理论的最新进展，并敏锐意识到原子核链式反应释放出的巨大能量可能用于未来战争。

1940年4月，安田武雄获知了朝鲜半岛可能蕴藏铀矿的消息，欣喜不已。于是，他命令属下铃木辰三郎中佐，着手论证研发原子弹的可能性。铃木辰三郎毕业于东京帝国大学物理系，他在接受任务之后深感责任重大，在认真收集了专家意见后上交了调研结果。

1940年年末，安田武雄将调研结果整理成“制造铀弹报告”提交给有关部门。报告中，他建议军方马上着手研制原子弹，因为这种武器很可能在未来的世界大战中发挥决定性作用，并且认为美国很可能已经在秘密进行原子弹研发。

然而，当时日本陆海两军的龃龉不合，安田武雄的报告并没有受到正在巅峰时期的日本海军的重视，只引起了陆军部的兴趣。1941年5 月，时任陆军大臣的东条英机批准了这一项目，而该项目的具体负责人是日本理化研究所（RIKEN）的仁科芳雄。

仁科芳雄 （1890—1951）。图源：参考文献3

仁科芳雄也是日本冈山县人，毕业于东京帝国大学电气工程系，和安田武雄算是同乡加校友。他曾游学欧洲，是著名物理学家尼尔斯·玻尔的高徒，爱因斯坦的密友，并发表过多篇高质量的核物理研究论文。

仁科芳雄（Nishina Yoshio）1940年在Nature上发表的有关铀裂变的论文

很多人都知道，美国的劳伦斯在1932年建成了世界上第一台回旋加速器。但很多人不知道，仅5年后仁科芳雄就在日本建造了世界上第二台回旋加速器。由此可见，二战前日本的核物理研究已是世界先进水平，并不逊于美国之外的其他强国。

仁科芳雄1937年在日本建造的回旋加速器。图源：参考文献5

有报道指出（参考文献5），仁科芳雄1940年曾与安田武雄在一列火车上会面，他对原子能技术的专业阐述，更加坚定了安田武雄研制核武器的决心。于是，安田武雄提出的制造铀弹报告一经通过，仁科芳雄就毫无意外地被指派为日本核研究计划的负责人。

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捉襟见肘的“仁计划”

日本研制原子弹的计划也被称为“仁计划“，是以仁科芳雄名字的第一个字命名的。受日本的国力所限，相比于美国的“曼哈顿计划”，“仁计划“在各个方面都只能称得上是其微缩版。

以经费投入为例，人们估算战时日本政府对“仁计划”的资助总共不足50万美元，这还不到“曼哈顿计划”经费的千分之一。参与“仁计划”的人员也少得可怜，即使在1944年的高峰时期，核心成员也仅有20多位，其中很多还是刚从大学毕业不久缺乏科研经验的青年。战后仁科芳雄对此安排的解释是，如果不招募这些青年科学家，他们十有八九会被征召入伍，战死沙场。而美国的曼哈顿工程参与人员多达15万余人，包括了当时来自世界各国的最优秀科学家和工程师。

仁科芳雄将有限的人力分在4个小组——理论组，化学组、分离组和检测组。其中理论组负责计算实现链式反应需要的U-235的临界质量；化学组负责合成六氟化铀 (UF6)——一种可用于分离U-235的关键化合物；分离组则负责研制设备以富集六氟化铀中的U-235同位素；最后，由检测组表征分离后得到的样品，以确定U-235的浓缩是否成功。

“仁计划”的组织架构和各小组负责人。制图：李研

这几个小组的工作进展都谈不上顺利。玉木英彦领导的理论组认为含有10% U-235的10公斤铀就可以达到临界质量，实现链式反应。这一计算结果严重低估了原子弹所需要的铀量。实际上，在广岛爆炸的原子弹中含有64公斤铀，其中U-235的含量高达80%。

制备六氟化铀在当时也充满挑战，木越邦彦并非合成化学出身，他花了几个月的时间才找到这种强腐蚀性化合物的合成方法。而之后的U-235浓缩需要更高的科技水平，因为U-235和U-238犹如一对双胞胎，其化学性质完全相同，无法进行化学分离，只能采用物理方法富集。

在“曼哈顿计划”中，资源阔绰的奥本海默将技术人员兵分三路，尝试用三种不同的同位素分离技术将U-235从主要成分为U-238的铀矿石中分离出来：劳伦斯在加州大学带领团队研究电磁型同位素分离法 (electromagnetic separation)，哥伦比亚大学的埃格尔·默弗里和杰西·比姆斯的团队负责气体扩散法（gaseous diffusion） ，华盛顿卡内基研究所的菲利普·艾贝尔森（后转战海军研究实验室）则将研究重心放在热泳法 (liquid thermal diffusion)。

然而，这三种方法要么太费电，要么对仪器设备要求很高，仁科芳雄一个都负担不起，所以只能因陋就简，尝试采用气体热扩散法（gaseous thermal diffusion)来进行U-235的分离。

“仁计划”中用于浓缩U-235的分离塔。图源：参考文献7

分离组直到1944年6月才设计和建造出一个大约两层楼高的气体热扩散分离塔。之后，他们按照计划将合成出来的六氟化铀加热气化，希望分子量更轻、沸点稍低的U-235化合物能够在装置上层得到富集。1944年11月，他们终于在分离塔上层的收集器里得到一小块六氟化铀的晶体。

小组成员满怀期望地将这一小块晶体送到检测组。检测组利用仁科芳雄先前建造的回旋加速器，来表征U-235同位素在六氟化铀晶体中的比例。最终得到结果是，几乎没有富集效果！三年时间几乎都在做无用功，这使仁科芳雄感到无比失望。

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停留在图纸上的“F-计划”

就在仁科芳雄一筹莫展之时，原本对核弹研究不感兴趣的日本海军，因为在太平洋遭到美国的沉重打击，也期盼能获得扭转战局的大规模杀伤武器。或许是碍于面子，他们没有加入陆军正在进行的核弹研究计划，而是另起炉灶，又招集一批物理学家。

海军部的核弹研究计划被称为“F-计划”，由核聚变Fussion的英文首字母命名，领导者是京都帝国大学的荒胜文策教授。该计划的核心是荒胜文策试图建造一个超级离心机，来将较重的U-238离心至外壁，以提炼分离出能造原子弹的U-235。虽然战后人们证实，离心装置确实可以实现U-235的富集。然而，在战时物资匮乏，人力短缺的日本，这一超级离心机的设想只是停留在图纸上，直到战争结束也未能进入真正实验阶段。不过值得一提的是，“F-计划”团队中的汤川秀树（也是仁科芳雄的弟子）战后成为日本第一位诺贝尔物理学奖获得者。

荒胜文策（左）与汤川秀树（右）。图源：Wikipedia

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运不来的铀矿石

实际上，即使仁科芳雄的气体热扩散分离装置可以实现U-235的富集, 荒胜文策的超级离心机也能够建造成功，以当时日本的状况，核弹研发的工程同样难以为继，因为日本严重缺乏实验需要的铀原料。

在提出原子弹研发计划时，安田武雄曾认为朝鲜半岛蕴藏有铀矿，但后来发现，那些铀矿的品级很低，根本无法提取足量的铀元素。于是，日本军方在日本、中国和东南亚各地寻找铀矿，还向自己的德国盟友寻求帮助。

当时，同样作为轴心国的纳粹德国自然希望能够帮助日本。不过，稍有地理常识的人就明白，两个国家远隔重洋，在二战期间双方根本无法通过陆路交通往来，再加上当时还没有大型远程飞机，日德之间的物资交换十分不易。战争后期，随着轴心国战局的恶化，制海权也完全被盟军掌控，日德之间的运输只得通过潜艇隐蔽进行。

1945年5月，一艘潜艇刚从德国驶进大西洋，舰长就收到了希特勒自杀、德军战败的消息，于是他将潜艇浮上水面，向临近的美军投降。事后，美军在这艘潜艇上查获了宝贵的战利品——560公斤的铀氧化物。这些铀氧化物中含有的U-235，约是制造一颗原子弹所需核材料数量的五分之一。略带讽刺意味的是，这批原准备运往日本的铀料，随后被押运到位于美国田纳西州橡树岭的原子弹生产基地，反而资助了美国的“曼哈顿计划”。

一艘向美军投降的德国潜艇。 图源： 参考文献8

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沉沙折戟

1945年4月，美国对日本东京进行了大规模燃烧弹轰炸，包括分离塔在内的大部分“仁计划”的装置设施在轰炸中损毁，铀浓缩实验也不得不中断。屡受打击的仁科芳雄曾悲观地向军方汇报：“（原子弹）理论上或许可行，但可能连美国也无法在这场战争中将原子弹用于实战”。

可惜，仁科芳雄错了。

在广岛投下的原子弹爆炸时的蘑菇云。图源：参考文献11

1945年8月6日，原子弹在广岛上空爆炸。此时，已是穷途末路的日本军方再次召集国内顶尖的物理学家，询问他们是否可以在6个月之内造出核弹（6个月被认为是美军登陆日本本土后日军可以坚持的时间），但仁科芳雄只能无奈地表示：“不要说6个月，就是6年也不够。我们既无铀，也没电，什么也干不成。”

1945年8月15日，日本投降，美军随后占领了日本理化研究所。仁科芳雄苦心建造的两台回旋加速器，也因怀疑有军事用途，被美军砸碎后沉入了东京湾。至此，日本的原子弹研制计划以彻底失败告终。

临近投降时，日本军方曾下令销毁与研制原子弹有关的文件，以图掩盖历史、减轻罪责。因此，后人只能从残缺的史料和当事人的零散回忆中去拼凑还原真相。本文也是基于现有的文献和报道，对这段历史进行的简要梳理。

通过回溯这段历史，我们不难看出仅有一流的科学家并不能完成研制原子弹这样复杂的工程。美国能够在二战时赢得核武器的研发竞赛，是占尽“天时地利人和”多种有利因素的结果。

因出色领导“曼哈顿计划”，奥本海默被尊称为“原子弹之父”。相比之下，像仁科芳雄这样服务于邪恶政权且劳而无功的科学家，则颇具有几分悲情色彩。然而，他们的失败对于人类命运而言又何尝不是一件幸事。

作者简介：

李研，化学博士。目前担任细胞出版社(Cell Press)旗下Matter和Cell Reports Physical Science期刊的科学编辑。

参考文献：

1. Takeo Yasuda （安田武雄）：https://en.wikipedia.org/wiki/Takeo_Yasuda

2. Deborah Shapley，Nuclear Weapons History: Japan's Wartime Bomb Projects Revealed, Science, 1978, 199, 152-157

3. Yoshio Nishina（仁科芳雄）: https://en.wikipedia.org/wiki/Yoshio_Nishina

4. 邹仲苏, 日本理化学研究所: 战时日本核计划的承担者: https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1482577

5. Japanese nuclear weapons program：https://en.wikipedia.org/wiki/Japanese_nuclear_weapons_program

6. Manhattan Project：https://en.wikipedia.org/wiki/Manhattan_Project

7. Atomic Bomb: Japan’s Secret WW2 A-Bomb Project：https://www.youtube.com/watch?v=SJPxEqgN2ek&t=827s

8. X级潜艇：https://en.wikipedia.org/wiki/Type_X_submarine

9. 日本核武器研发秘史：https://zhuanlan.zhihu.com/p/576210827

10. Los Angeles Times: New evidence of Japan’s effort to build atom bomb at the end of WWII

11. 澎湃新闻：原子弹爆炸72周年︱如果不投原子弹，日本还能撑多久？

12. The RIKEN Story: https://www.riken.jp/en/about/history/story/

本文转载自《赛先生》微信公众号

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